下击暴流形成与扩散的混合尺度数值模拟及输电塔倒塌的灾害分析

下击暴流对输电"线-塔"结构是一种比台风和龙卷风更主要和更危险的灾害风荷载。可是，由于下击暴流是一种位置不定、尺度小、生命史短的天气现象，因此采用常规的对它直接探测的方法（现场实测或雷达探测）来获取其样本是十分困难的。这就使下击暴流风的风荷载模型及其参数至今无法依气象因素确定，从而无法走向应用。本项目提出的下击暴流的形成与扩散的混合尺度数值模拟方法为获取下击暴流风荷载的样本提供了新的途径。它可通过已探测的实际下击暴流产生的天气系统的气象要素，经三种尺度模式的混合数值模拟，得到实际下击暴流扩散段的流场，进而得到实际下击暴流平均风最大风剖面及其参数的样本，为统计得到下击暴流的风荷载模型提供了新的手段。在此基础上，本项目创新地建立了下击暴流风作用下输电"线-塔"结构倒塌破坏全过程的精细化的分析方法，为深入地了解输电"线-塔"结构风致倒塌的过程和结构薄弱环节，完成它的抗倒塌设计提供了一种新的工具。

在过去的三年中，本课题组按照项目获批准时的计划要点，对下击暴流形成与扩散的混合数值模拟及输电塔倒塌的灾害分析进行了系统的研究，完成了项目所要达到的目标。本项目取得的主要成果包括：. (1)通过气象学和风工程领域学科交叉的方法，提出了下击暴流中尺度、三维积云尺度和近地风尺度的混合数值模拟方法。基于气象中尺度ARPS模式，依据实测天气资料，通过多重嵌套的方式来研究了下击暴流发生前后的中尺度气象背景场；在与中国气象局武汉暴雨研究所合作研究的基础上，采用积云模式基于ARPS模式计算的加密探空能模拟实际下击暴流的生消演变过程；依据积云模式模拟的实际下击暴流初始场，采用计算流动力学技术研究了具有真实入口和边界条件下的下击暴流的高分辨率风场特征。. (2)依据以实测气象参数为依据的下击暴流从形成到水平扩散全过程的混合数值模拟方法，研究了实际下击暴流的最大平均风剖面的时空分布特征和统计特性和地面粗糙度对下击暴流水平最大风剖面的影响，提出了依据混合数值模拟方法模拟的实际下击暴流特征参数构造下击暴流最大理论风剖面的思路和风荷载时程的数值模拟方法。. (3)创建了下击暴流作用下输电“线-塔”结构倒塌全过程的有限元分析方法。研究了下击暴流作用下输电“线-塔”结构的响应特征；得到了主杆失稳的“弯矩－轴力－轴向刚度”关系并据此创建了主杆动力弹塑性失稳的有限元模型；提出了法兰螺栓联结节点等效梁单元参数的求取方法，建立了法兰螺栓联结节点（包括有螺栓脱落）的精细有限元模型，并据此创建了塔身主杆法兰拼装节点的等效梁单元模型；应用梁单元几何非线性的共转法，编制了考虑结点大位移的下击暴流作用下输电“线-塔”结构倒塌分析的有限元分析程序；在建立了结构整体尺度和结构结点尺度的位移——力学协调边界条件的基础上，创建了结构节点尺度的精细有限元分析方法；得到了下击暴流作用下输电“线-塔”结构的倒塌特征，包括倒塌的主要原因，破坏的关键部位及杆件失稳顺序，并研究了塔身主杆法兰拼装节点螺栓脱落损伤对倒塌的影响。